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Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm) www.staff.uni-mainz.de/curtius/Klimawandel/ Login:

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1 Klimawandel WS 05/06 Joachim Curtius Institut für Physik der Atmosphäre Universität Mainz CO 2 (ppm) Login: Klimawandel Password: CO2

2 Inhalt 1. Überblick 2. Grundlagen 3. Klimawandel heute: Beobachtungen 4. CO 2 5. Andere Treibhausgase 6. Aerosole und Wolken 7. Solare Variabilität 8. Erwarteter zukünftiger Klimawandel 9. Klimageschichte 10. Klimaschutz

3 [IPCC 2001]

4 6. Aerosole und Wolken Aerosole: Grundlagen, Lichtstreuung natürliche und anthropogene Quellen direkte Aerosoleffekte erster indirekter Effekt zweiter indirekter Effekt semidirekter Effekt

5 wissenschaftliche Hintergründe Strahlungshaushalt Treibhauseffekt: natürlich – anthropogen CO2 und andere Treibhausgase Aerosolpartikel Ruß, Seesalzkerne, Mineralstaub, Pollen, Sulfatpartikel,...

6 Strahlungsantrieb durch Aerosole Direkter Effekt Streuung (und Absorption) des einfallenden Sonnenlichtes durch Aerosolpartikel. Indirekter Effekt Änderung 1.) der Wolken-Albedo 2.) der "Lebensdauer" durch anthropogen verursachte Aerosole. Semidirekter Effekt Änderungen (z.B. Verdampfen von Wolken) durch Absorption von Rußaerosolen ("ABC", "brown cloud", "dimming")

7 Grundlagen: Lichtabsorption und Lichtstreuung an Aerosolen Extinktion = Absorption + Streuung (Q=Extinktions-, Streu-, Absorptions-Effizienz) Mie-Streutheorie da d p, komplex..., Streuung am stärksten in Vorwärtsrichtung Optische Dicke (aus Lambert-Beer-Gesetz): (F=Intensität, b ext =Extinktionskoeff.,z=Weglänge) Einzel-Streu-Albedo:

8 Streuung und Absorption von Strahlung durch Partikel [Seinfeld & Pandis, 1998]

9 Mie-Streuung und "Upscatter fraction" [Seinfeld & Pandis, 1998]

10 Grundlagen: Lichtstreuung an Aerosolen Sulfataerosol: Streut insbes. kurzwellige solare Strahlung Ruß: Absorbiert kurzwellige (und auch langwellige) Strahlung Wolken: Streuung und Absorption von kurzwelliger und langwelliger Strahlung Netto-Effekt meist eher kühlend, Ausnahme dünne Cirren

11 atmosphärisches Aerosol ist äußerst komplex: variable Anzahl, Größenverteilung, verschiedene Typen, chemische Zusammensetzung, interne/externe Mischung Verweilzeit, optische Eigenschaften, Hygroskopizität, Eignung als Wolkenkondensationskeime und Eiskeime Optische Dicke: anthropogener Anteil ~50%, besonders das Aerosol der Akkumulationsmode ist wichtig ( µm) kurze Aufenthaltszeiten in der Atmosphäre: 1-2 Wochen Strahlungsantrieb nicht aufrechnen... "warm days, hot nights...", beeinflußt vor allem solare Strahlung Atmosphärische Aerosolpartikel

12 anthropogene SO 2 -Emissionen anthropogene SO 2 -Emissionen heute 2 bis 4 mal größer als natürliche Emissionen

13 50 Tg/a

14 Atmosphärisches Aerosol

15 Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) anthropogenes Sulfat-Aerosol hauptsächlich aus fossiler Verbrennung [IPCC 2001]

16 Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) natürliches Sulfat-Aerosol hauptsächlich aus DMS-Oxidation

17 [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) anthropogenes organisches Aerosol hauptsächlich aus fossiler und Biomasse-Verbrennung

18 [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) natürliches organisches Aerosol hauptsächlich aus Terpenoxidation, Pollen u. ä. biolog. Aerosol, Huminstoffe (HULIS),...

19 [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) anthropogenes BC hauptsächlich aus fossiler Verbrennung: Ruß und Teere

20 Rußaerosole aus fossiler und Biomassen-Verbrennung: "Ruß ist nicht gleich Ruß!", für Strahlungseffekte spielen Alterungsprozesse, Mischungszustand, Partikelgröße etc. eine wichtige Rolle

21 [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) Mineralstaubpartikel: Änderung der Landnutzung...

22 [IPCC 2001] Aerosol-Quellstärken (kg km -2 hr -1 ) Seesalzaerosol

23 [IPCC 2001] Optische Dicke

24 Aerosol direct radiative forcing based on satellite measurements, not on model calculations. "[We find] for the direct radiative forcing at the top of the atmosphere [...] a clear-sky, global, annual average of -1.9 Wm -2 with standard deviation, 0.3 Wm -2. These results suggest that present-day direct radiative forcing is stronger than present model estimates, implying future atmospheric warming greater than is presently predicted, as aerosol emissions continue to decline." Bellouin et al., Nature, 2005:

25 Indirekte Klima-Effekte durch Aerosole outline reine Luft, wenige CCN verschmutzte Luft, viele CCN Wolken- bildung: Wasserdampf kondensiert geänderte optische Eigenschaften, Wolke wird "weißer", reflektiert mehr solare Strahlung, Namen: Twomey-Effekt (Twomey, Tellus B, 1984), Wolkenalbedo-Effekt, erster indirekter Aerosoleffekt geänderter hydrologischer Zyklus: längere Lebensdauer der Wolke, Abregnen wird unterdrückt, CDs<14µm, Namen: zweiter indirekter Aerosoleffekt, "lifetime effect" wenige große Wolken- tröpfchen viele kleine Wolkentröpfchen

26 Satellitenaufnahme (bei einer Wellenlänge von 3.7 µm) vom Pazifik an der Westk¨uste von Kalifornien. Der Satellit sieht eine fast kontinuierliche Wolkenbedeckung (grau) mit einer Anzahl von Linien (weiss/hell), die sich durch eine gröossere Reflektivitäat auszeichnen. Diese sogenannten Schiffsspuren (ship tracks) kommen durch die von den Schiffsmotoren ausgestossenen Aerosole zustande. Messungen haben gezeigt, dass die erhöhten Aerosolkonzentrationen zu einer höheren Konzentration vonWolkentröpfchen bei gleichzeitiger Reduktion der Wolkentröopfchengrösse führen, und damit zu der vom Satelliten beobachteten erhöhten Reflektivität dieser Wolken. erster indirekter Effekt

27 Rosenfeld, Science, 2000: NOAA AVHRR-Satelliten-Bilder: rot: Wolken m. großen Tröpfchen gelb: Wolken m. kleinen Tröpfchen blau: Bodenoberfläche A) 1) Istanbul, 2) Izmit 3) Bursa B) 4) Erzverhüttung Flin-Flon, Manitoba, Canada C) 5) Port Augusta, Kraftwerke 6) Port Pirie, Bleiwerke 7) Adelaide Hafen 8) Ölraffinerien kleinere Tröpfchen weniger/späteres Abregnen weniger Eisbildung indirekte Aerosoleffekte

28 Korrelation der Aerosolkonzentration mit der Konzentration der Wolkenkondensationskeime [Ramanathan et al., Science, 2001]

29 indirekte Aerosoleffekte Lohmann und Feichter, ACP 2005: Vergleich der Effekte nach verschiedenen GCMs rot: nur Sulfate grün: Sulfate + BC blau: Sulfate + OC türkis: Sulf.+OC+BC


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